许多研究人员试图利用碳基自旋电子器件中纳米带的异常磁性行为，这些器件通过电子自旋而不是电荷对数据进行编码，从而实现高速、低功耗的数据存储和信息处理技术。但由于锯齿形纳米带具有高反应性，研究人员一直在努力研究如何观察其奇异特性并将其引入现实世界的设备中。
现在，正如期刊《自然》 所报道的那样，劳伦斯伯克利国家实验中心和加州大学伯克利分校的研究人员开发出了一种稳定石墨烯纳米带边缘并直接测量其独特磁性的方法。
该团队由伯克利实验室材料科学部门的科学家Felix Fischer 和Steven Louie 共同领导，他们发现，通过用氮原子取代带边缘的一些碳原子，他们可以在不破坏磁性的情况下谨慎地做到这一点。调整局部电子结构。这种微妙的结构变化进一步促进了扫描探针显微镜技术的发展，以在原子尺度上测量材料的局部磁性。
“之前稳定锯齿形边缘的尝试不可避免地改变了边缘本身的电子结构，”加州大学伯克利分校物理学教授路易说。他补充说：“这种困境注定了用实验技术获得其磁结构的努力失败了，到目前为止，实验技术的探索已经降级到计算模型上。”
在理论模型的指导下，费舍尔和路易设计了一种定制的分子构建块，其特征是碳和氮原子的排列，可以映射到所需的锯齿形石墨烯纳米带的精确结构。
为了构建纳米带，他们首先将小分子构建块沉积到平坦的金属表面或基材上。接下来，轻轻加热表面，激活每个分子两端的两个化学手柄。该活化步骤会破坏化学键并留下高反应性的“粘性末端”。
每当两个“粘性末端”相遇并且活化的分子在表面上扩散时，分子就会结合形成新的碳-碳键。最终，这个过程构建了分子构建块的一维菊花链。最后，第二次加热步骤重新排列链的内部键，形成具有两个平行锯齿形边缘的石墨烯纳米带。
费舍尔小组的研究生赵说：“这种分子自下而上技术的独特优势在于，石墨烯带的任何结构特征，例如氮原子的确切位置，都可以编码在分子构建块中。”还有路易小组的一名研究生。该论文与Ark 的共同第一作者雷蒙德·布莱克威尔(Raymond Blackwell) 说道。
下一个挑战是测量纳米带的特性。 “我们很快意识到，为了不仅测量而且实际上量化自旋极化纳米带边缘态引起的磁场，我们必须解决另外两个问题，”费舍尔说，他也是加州大学伯克利分校的化学教授。
首先，该团队需要弄清楚如何将带子的电子结构与其基板分离。费舍尔通过使用扫描隧道显微镜的尖端不可逆地切断石墨烯纳米带和下面的金属之间的连接来解决这个问题。
第二个挑战是开发一种直接测量纳米尺度磁场的新技术。幸运的是，研究人员发现纳米带结构中取代的氮原子实际上起到了原子级传感器的作用。
对氮原子位置的测量揭示了沿之字形边缘的局部磁场特征。
路易利用国家能源研究科学计算中心(NERSC) 的计算资源进行计算，对带状自旋极化边缘态产生的相互作用进行了定量预测。对磁相互作用精确特征的微观测量与这些预测相符，并证实了它们的量子性质。
费舍尔说：“探索并最终开发能够合理设计这些奇异磁边缘的实验工具，为碳基自旋电子学创造了前所未有的机会。”他指的是依赖电子固有特性的下一代纳米电子器件。未来的工作将涉及在定制设计的锯齿形石墨烯结构中探索与这些特性相关的现象。
